工程材料第4章课件

第4章 水泥混凝土,混凝土是由胶凝材料，水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。,自1824年英国的阿斯普丁获得波特兰水泥专利以来，以水泥作为胶结材料的素混凝土就与水泥共同发展。到19世纪中叶(1850年左右)，法国首先获得了钢筋混凝土专利，混凝土技术获得了第一次突破；1928年，法国人Freysslent首次设计了一种张拉钢筋的锚具，开始了预应力钢筋混凝土的应用，使混凝土技术获得了第二次突破；20世纪60年代，日本、德国分别研制成功了减水率达20的高效减水剂，混凝土的性质和功能得到了很大的改善和提高，混凝土技术获得了第三次突破。,混凝土常按表观密度的大小分类，一般可分为以下三种： 重混凝土：其表观密度大于2800kg/m3。它是采用了密度很大的重骨料重晶石、铁矿石、钢屑等配制而成。具有防x射线和射线的性能，故又称防辐射混凝土，主要用作核能工程的屏蔽结构材料。 普通混凝土：其表观密度为20002800kg/m3，一般多在2400kg/m3左右。它是用普通的天然砂、石作骨料配制而成，为建筑工程中常用的混凝土，通常简称混凝土。主要用作各种建筑的承重结构材料。,轻混凝土：其表观密度小于1950kg/m3。它又可分为轻骨料混凝土、多孔混凝土和大孔混凝土三种其用途可分为结构用、保温用和结构兼保温等几种。 根据所用胶凝材料不同，混凝土可分为水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土、石膏混凝土等等。根据特性或施工方法不同，可分为防水混凝土、耐热混凝土、防射线混凝土、高强混凝土、泵送混凝土等。,混凝土的优点：价格低廉、凝结前塑性好、可调整性能、与钢筋粘结力高、抗压强度高、耐久性好。 缺点：自重大、脆性大、抗拉强度小、质量波动大、养护时间长。 一般对混凝土质量的基本要求是：强度、和易性、耐久性、经济性。, 4.1 普通混凝土的组成材料 4.1.1 混凝土中各组成材料的作用,砂、石骨架 水泥浆润滑、胶结,4.1.2 混凝土组成材料的技术要求 1.水泥 (1) 水泥品种选择 配制混凝土时，应根据混凝土工程性质、部位、施工条件、环境状况等，按各品种水泥的特性作出合理的选择。如大坝工程，宜用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。,(2) 水泥强度等级选择 水泥强度等级的选择，应与混凝土设计强度等级相适应。若用低强度等级的水泥配制高强度等级混凝土，不仅会使水泥用量过多，还会对混凝土产生不利影响。反之，用高强度等级的水泥配制低强度等级混凝土，若只考虑强度要求，会使水泥用量偏少，从而影响耐久性能。因此，根据经验一般以选择的水泥强度等级比混凝土强度等级高一个等级为宜。,2.细骨料 粒径在0.164.75mm之间的骨料称为细骨料。一般有河砂、海砂和山砂。配制混凝土时所采用的细骨料的质量要求有以下几方面： （1）有害杂质 云母 泥、粘土块、粉砂 有机杂质、硫化物、硫酸盐 氯离子 草根、树叶、树枝、塑料、煤块、炉渣等杂物,（2）颗粒形状及表面特征 （3）颗粒级配及粗细程度,颗粒级配即表示砂大小颗粒的搭配情况。它反映砂粒之间的空隙率的大小。用级配区表示。 粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的总体的粗细程度。它反映的是砂的总表面积。用细度模数表示。 砂的级配区和细度模数常用筛分析的方法进行测定。,将500g干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得剩留在各个筛上的砂质量（m），并计算出各筛上的分计筛余百分率(各筛上的筛余量占砂样重的百分率)，分别以a表示。再算出各筛的累计筛余百分率(各个筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分率之和)，分别以A表示。,筛孔尺寸 分计筛余 累计筛余 4.75 a1 A1 2.36 a2 A2 1.18 a3 A3 0.6 a4 A4 0.3 a5 A5 0.15 a6 A6 筛底,砂按细度模数可分为粗、中、细、特细四级，其规定范围：粗砂3.73.1；中砂3.02.3；细砂：2.21.6；特细砂：1.50.7。普通混凝土用砂的细度模数范围般为3.71.6，其中以采用中砂较为适宜。 根据0.6mm筛的累计筛余百分率分为三个级配区。混凝土用砂的颗粒级配应处于其中任何一个级配区内。,（4）砂的坚固性 指砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。根据试样在饱和硫酸钠溶液中循环浸渍5次后的质量损失率来判断。有抗疲劳、耐磨、抗冲击要求的混凝土用砂 或有腐蚀介质作用或经常处于水位变化区的地下结构混凝土用砂 ，其坚固性质量损失率应小于8%。,我国建筑用砂年需约6亿吨左右。目前我国多数地区应用的是天然砂。天然砂资源是一种地方资源，是短时间内不可再生和长距离运输的。随着基本建设的日益发展和环境保护的需要，在我国不少地区出现天然砂资源逐步减少、砂质量下降、限采或禁采天然砂的情况。混凝土用砂供需矛盾尤为突出。随着混凝土技术的迅速发展，现代混凝土对砂的技术要求却越来越高，特别是高性能混凝土对骨料的要求很高，能满足其要求的天然砂数量越来越少，甚至没有。因此，发展新砂源（人工砂）势在必行。,2002年6月，陇海线灞河铁路桥多处桥墩塌陷，130多米铁路桥完全垮塌断裂。,3.粗骨料 粒径大于4.75mm的骨料。根据形成原因可分为碎石和卵石。 用于混凝土的粗骨料的质量要求有： （1）有害杂质 粘土、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物、有机杂质； 活性氧化硅 （2）颗粒形状及表面特征,（3）最大粒径及颗粒级配 粗骨料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。粗骨料的最大粒径应在条件许可下，尽量选用得大些。但最大粒径的确定，还要受到混凝土结构截面尺寸及配筋间距的限制。按混凝土结构工程施工质量验收规范(GB502042002)规定，混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的14，且不得大于钢筋间最小净距的34。对 于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达13板厚的骨料，但最大粒径不得超过40mm。,石子的级配与砂子类似，也通过筛分析试验来确定。石子的标准筛有孔径为2.35、4.75、9.5、16、19、26.5、31.5、37.5、53、63、75及90mm等12个筛子。根据筛分析结果可分为连续粒级和单粒级两种级配。配制混凝土应选用连续粒级的粗骨料。 （4）强度 粗骨料的强度可采用岩石立方体强度或压碎指标来表示。,岩石立方体强度：将岩石制成5050 50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下，其抗压强度与设计要求的混凝土强度登记之比，作为粗骨料的强度指标。 压碎指标a：将一定质量气干状态下1020mm的石子装入一定规格的圆筒内，在压力机上施加荷载到200kN，卸荷后称取一定质量的试样，用孔径为2.5mm的筛筛除被压碎的细粒，计算筛下百分率，即为压碎指标。,（5）坚固性 有抗冻要求的混凝土所用的粗骨料，要求测定其坚固性。根据试样在饱和硫酸钠溶液中循环浸渍5次后的质量损失率来判断。 4.骨料的含水状态及饱和面干吸水率 干燥状态：骨料含水率等于或接近于零； 气干状态：含水率与大气湿度相平衡时； 饱和面干状态：骨料表面干燥而内部孔隙含水达饱和时；（此时的含水率即为饱和面干吸水率） 湿润状态：骨料不仅内部孔隙充满水，而且表面还有一层表面水。,5.混凝土拌合及养护用水 质量要求：不得影响混凝土的和易性及凝结；不得有损于混凝土强度发展；不得降低混凝土的耐久性、加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断；不得污染混凝土表面。 6.混凝土外加剂 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质。其掺量一般不大于水泥质量的5%。被称为混凝土的第五组分。 常按其功能进行分类。,混凝土外加剂的分类 1.改善混凝土拌和物流变性能的外加剂。如减水剂、泵送剂、引气剂、保水剂等； 2.调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂。如早强剂、缓凝剂、速凝剂等； 3.调节混凝土气体含量的外加剂。如引气剂、加气剂、泡沫剂等； 4.改善混凝土耐久性的外加剂。如引气剂、防冻剂、阻锈剂、防水剂等； 5.改善混凝土其他性能的外加剂。如引气剂、膨胀剂、防水剂、碱骨料反应抑制剂等。,1）减水剂 Water reducer 是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。 普通减水剂 减水率小于10%，如木质素系和糖蜜系减水剂； 高效减水剂 也称超塑化剂(High Range Water Reducer；Superplasticizer)，减水率大于12%，有的达30%以上，如萘系和水溶性树脂系减水剂。,为什么加入减水剂后水泥浆变稀？,减水剂分散水泥的机理,加减水剂前 加减水剂后,絮凝,分散,没加减水剂的水泥浆,加减水剂后的水泥浆,混凝土中掺入减水剂获得的技术经济效果： 1.用水量和水灰比不变，混凝土拌和物的流动性 ； 2.流动性和水泥用量不变，用水量 ，水灰比 ，混凝土强度 ； 3.流动性和水灰比不变，用水量 ，水泥用量 ； 4.混凝土耐久性 。,几种效果能否同时获得？为什么？,木质素系减水剂是使用较多的一类减水剂。按其所带阳离子的不同，有木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)和木质素磺酸镁(木镁)之分，其中木钙为目前使用最多的减水剂，简称M剂，它属于阴离子表面活性剂。 M剂是以生产纸浆或纤维浆下来的亚硫酸木浆废液为原料，采用石灰乳中和，经生物发酵除糖、蒸发浓缩、喷雾干燥而制成，为棕黄色粉状物。 M剂因原料丰富，价格低廉，并具有较好的塑化效果，故目前应用十分普遍。,M剂适宜掺量为0.20.3，减水率10左右。若不减水，坍落度可提高10 cm左右；混凝土28d强度提高1020；若保持强度不变，则可节约水泥10。M剂对混凝土有缓凝作用，一般缓凝13 h，低温下缓凝性更强，掺量过多，缓凝严重。 M剂为引气型减水型，它使混凝土的含气量由不掺时的2增为3.6。掺M剂的混凝土不宜蒸汽养护，以免蒸养后混凝土表面出现酥松现象。 掺M型减水剂后有的混凝土收缩会稍有增大。,2）早强剂 Accelerator 能加速混凝土早期强度发展的外加剂称早强剂。早强剂主要有氯盐类、硫酸盐类、有机胺三类以及它们组成的复合早强剂。 注意氯盐类早强剂在钢筋混凝土中的使用。 3）引气剂 在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布的、稳定而封闭的微小气泡（直径在10100m）的外加剂，称为引气剂。,引气剂的掺入对混凝土性能的影响： (1)改善混凝土拌合物的和易性：混凝土拌合物中引入大量微小气泡后，封闭小气泡犹如滚珠存在，从而减少了骨料间的摩擦，增强了润滑作用，使混凝土拌合物流动性提高。一般混凝土的含气量每增加1时，混凝土的坍落度约提高1cm。同时由于微小气泡的存在，阻滞了固体颗粒的沉降和水分的上升，加之气泡薄膜形成时消耗了部分水分，减少了能够自由移动的水量，从而使混凝土拌合物的保水性得到改善，泌水率显著降低，粘聚性也良好。,(2)提高混凝土的抗渗性和抗冻性：混凝土中引入的大量微小密闭气泡，它们堵塞和隔断了混凝土中的毛细管通道；同时，由于保水性和和易性的提高，减少了混凝土中的各种渗水通道。其抗渗性能，可提高50以上。抗冻性的提高则主要是由于封闭气泡的引入，缓冲了水的冻胀应力所致。 (3)混凝土抗压强度有所降低：由于气泡的存在，使混凝土的有效受压面积减少了，故使混凝土的强度有所下降。一般混凝土的含气量每增加1时，其抗压强度将降低35。,4）缓凝剂 能延长混凝土的凝结时间而不显著降低混凝土后期强度的外加剂称为缓凝剂。常用的是糖蜜和木质素磺酸钙。 缓凝剂可用于大体积混凝土、炎热气候条件下施工的混凝土以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。 5）速凝剂 能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂称为速凝剂。常用的是无机盐类速凝剂。主要用于快速抢修及防渗堵漏工程。采用喷射施工方法进行施工。,6）防冻剂 防冻剂是能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。常用防冻剂是由多组分复合而成，其主要组分有防冻组分、减水组分、引气组分和早强组分。 7）膨胀剂 能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。 8）泵送剂 能改善混凝土拌合物泵送性能的外加剂。,外加剂在使用时的注意事项： （1）掺量 （2）掺加方法 （3）水泥适应性, 4.2 普通混凝土的主要技术性质 4.2.1 混凝土拌合物的和易性 1.和易性的概念 混凝土拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇灌、捣实）并能获致质量均匀、成型密实的性能。 流动性 混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动并均匀密实地填满摸板 粘聚性 混凝土各组成材料间有一定的粘聚力，不致产生分层离析的现象 保水性 混凝土具有一定的保持水分的能力，不致产生严重的泌水现象,2.和易性的测定方法及指标 混凝土拌合物和易性内容比较复杂，通常是采用一定的实验方法测定混凝土拌合物的流动性，再辅以直观经验目测评定粘聚性和保水性。 混凝土拌合物的流动性以坍落度或维勃稠度作为指标。坍落度适用于流动性较大的混凝土拌合物，维勃稠度适用于干硬的混凝土拌合物。,坍落度筒,坍落度测定,维勃稠度仪,3.流动性（坍落度）的选择 根据构件截面尺寸、钢筋疏密和捣实方法确定。,混凝土灌注时的坍落度 表4-19,4.影响和易性的主要因素 （1）水泥浆的数量 （2）水泥浆的稠度,固定需水量定则：当使用确定的材料拌制混凝土时，水泥用量在一定范围内，为达到一定流动性，所需加水量为一常值。（所谓一定范围是指每1m3混凝土水泥用量增减不超过50100kg。）,塑性混凝土的用水量（kg/m3） 表4-21,（3）砂率 砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。,混凝土的砂率（%） 表4-22,5. 改善新拌混凝土和易性的措施 （1）选用合适的水泥品种和骨料； （2）通过试验，采用合理砂率； （3）改善砂、石级配；尽量采用较粗的砂、石； （4）当混凝土拌合物坍落度太小时，保持水灰比不变，增加适量的水泥浆；当坍落度太大时，保持砂率不变，增加适量的砂、石； （5）掺用外加剂；采用机械振捣。,4.2.2 混凝土的强度 2.混凝土立方体抗压强度 按照国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准（ GB/T 500812002），制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件（温度203，相对湿度90以上）下，养护到28d龄期，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度（简称立方体抗压强度），以fcu表示。,在实际施工中，根据混凝土所用粗骨料的最大粒径，允许采用非标准尺寸的试体，但应将其抗压强度乘以尺寸换算系数折算成标准尺寸试件的抗压强度值。,混凝土试件尺寸愈小，测得的抗压强度值愈大，这包括两方面的原因：一是环箍效应 环箍效应：因为混凝土试件在压力机上受压时，在沿加荷方向发生纵向变形的同时，也按泊松比效应产生横向膨胀。而钢制压板的横向膨胀较混凝土小，因而在压板与混凝土试件受压面形成磨擦力，对试件的横向膨胀起着约束作用，这种约束作用称为环箍效应。环箍效应对混凝土抗压强度有提高作用。离压板越远，环箍效应小，在距离试件受压面约 （为试件边长）范围外这种效应消失。,二是因为大试件内存在的孔隙 、裂缝和局部较差等缺陷的机率大，从而降低了材料的强度。 3.混凝土立方体抗压强度标准值与强度等级 按照国家标准GB 500102002混凝土结构设计规范，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。 立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的强度总体分布中具有不低于95保证率的抗压强度值，以fcu，k表示。,普通混凝土划分为十四个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。 混凝土强度等级是混凝土结构设计时强度计算取值的依据，同时也是混凝土施工中控制工程质量和工程验收时的重要依据。 4. 混凝土的轴心抗压强度fcp 标准试件：150150300mm 混凝土的fcp比同截面的fcu小。试验表明：在fcu=1055MPa范围内， fcp与fcu之比约为0.70.8,5.混凝土的抗拉强度 只有抗压强度的1/101/20。劈裂抗拉强度fts 6.混凝土的抗折强度fcf 在进行路面结构设计以及混凝土配合比设计时以抗折强度作为主要强度指标。测定混凝土抗折强度采用150150600mm（或550mm）小梁作为标准试件，在标准条件下养护28d后，按三分点加荷方式测得其抗折强度。当采用100 100 400mm非标准试件时，需乘以0.85的尺寸换算系数。又如采用单点加荷方法试验，应乘以0.85的折算系数。,（2）养护的温度和湿度,图4-24 混凝土强度与保持潮湿日期的关系,（3）龄期 普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，混凝土强度的发展，大致与其龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d）：,4.2.3 混凝土的变形性能 1.化学收缩 2.干湿变形 3.温度变形 4.在荷载作用下的变形 （1）弹塑性变形 混凝土的弹性模量 （2）徐变 混凝土在长期荷载作用下，沿着作用力的方向的变形会随时间不断增长，即荷载不变而变形仍随时间增大，一般要延续23年才逐渐趋于稳定。这种在长期荷载下产生的变形，通常称为徐变。,4.2.4 混凝土的耐久性 1.耐久性的概念 混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。 （1）抗渗性 （2）抗冻性 （3）抗侵蚀性 （4）混凝土的碳化（中性化） （5）碱骨料反应,桥墩表面混凝土冻融剥落,青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土桥墩,混凝土表面的干燥收缩裂缝,青藏公路曲水河桥台因冻土下沉而开裂的状况,2.提高混凝土耐久性的措施 （1）合理选择水泥品种 （2）适当控制混凝土的水灰比及水泥用量 （3）选用较好的砂、石骨料 （4）掺用外加剂 （5）加强混凝土质量的生产控制, 4.3 普通混凝土的质量控制 初步控制：包括混凝土各组成材料的质量检验与控制和混凝土配合比的合理确定； 生产控制：包括混凝土组成材料的计量，混凝土拌合物的搅拌、运输、浇注和养护等工序的控制； 合格控制：指混凝土质量的验收，即对混凝土强度或其他技术指标进行检验评定。,4.3.1 强度概率分布 正态分布 强度平均值 ：,强度保证率：是指在混凝土强度总体中大于设计的强度等级标准值（fcu,k）的概率P()。如图4-30所示，强度正态分布曲线下的面积为概率的总和，等于100。,所以，强度保证率可按如下方法计算：首先，计算出概率度t，即：,国家标准规定，设计普通混凝土要求的强度保证率为95%，查表4-27可得，概率度t=-1.645。令混凝土的配制强度等于强度平均值，可得下式：,4.3.4 混凝土强度的检验评定 混凝土强度应分批进行检验评定。一个验收批的混凝土应由强度等级相同、龄期相同以及生产工艺条件和配合比基本相同的混凝土组成。可按统计法或非统计法评定。 1.统计法：由不少于10组试件组成一个验收批,2.非统计法：,4.4 普通混凝土的配合比设计 配合比的表示方法： 1.以每m3混凝土中各项材料的质量表示； 2.以各项材料相互之间的质量比来表示（以水泥的质量为1），常用两个比值：水泥:砂:石=1 : : ：水灰比W/C=小数。 4.4.1 混凝土配合比设计的基本要求 强度、和易性、耐久性、经济性 4.4.2混凝土配合比设计中的三个参数 水灰比、砂率、单位用水量（1m3混凝土的用水量）,4.4.3 混凝土配合比设计的步骤 1.初步